3D打印新系統實現水泥的自我修復
時間：2020-03-31 09:38 來源：增村之光 作者：中國3D打印網 閱讀：次
據悉，來自劍橋大學工程系的英國研究人員正在研究建筑材料的新系統，在最近發表的“一種新型3D血管結構仿生設計，利用墨累定律在水泥質材料中進行自我修復的研究成果”中概述了他們的研究結果。
一些最有趣的科學突破是在自然界中發現的，因為研究人員受到了許多不同特性的啟發，特別是在3D和4D打印方面，從鞋類收藏到可編程油墨再到可回收液體聚合物。然而，這項研究是獨特的，因為作者致力于開發一種修復水泥缺陷的系統。使用水泥基材料時，開裂是一個持續存在的問題，并且解決這種缺陷的能力有限。自我修復系統是一個持續的研究主題，因為在如此常用的材料中裂縫普遍存在。
雖然我們大多數人將“血管”一詞與人體等同，但它歸根結底是指物質運輸的容器。盡管還有許多其他傳統方法可以創建與水泥有關的血管網絡，但在這項研究中，研究人員意識到，使用3D網格化通道可以實現“最大體積覆蓋”。
研究人員表示，由此形成的密集連接網絡為阻塞提供了冗余，并增加了表面的覆蓋范圍。但是，容器密度的增加可能會影響樣品的機械性能，而堵塞成為矩形彎曲隧道中的主要問題。為了最大程度地減少連接處的湍流，同時又使體積最大化 [14]按照墨累定律 [用于循環血容量轉移]，通過噴墨打印技術研究了細胞化水凝膠中的仿生血管結構。
本研究中設計的網絡在其自愈分布水平上模仿自然。研究團隊使用在PLAUltimaker上3D打印設計，然后分析材料，并將其與傳統的1D和2D網絡進行比較。最終，他們能夠證明該網絡可以有效地提供硅酸鈉作為治療劑，并且所有原始裂縫在28天后都可以“愈合”。研究人員使用以下方法評估每個系統的自我修復能力：
•機械性能恢復
•吸附性降低
•裂口閉合
•愈合體積
研究人員表示，遵循默里定律的仿生設計在提供用于自我修復的治療劑方面在未來具有巨大的潛力，并且該研究可以擴展到其他治療劑。
血管結構既具有脆性斷裂反應，又具有引起機械觸發所需的界面結合。
“1D和2D結構的機械性能恢復約為20％，3D血管網絡標本的機械性能恢復約為34％，這歸因于自我修復。此外，與破裂對照樣品的值相比，包含1D，2D和3D血管網絡可導致吸附率分別降低25％，69％和77％。與1D系統相比，在2D血管水泥系統中觀察到裂縫愈合的增加，并且在3D血管水泥系統中幾乎所有的裂縫都減少了。”
“通過掃描電鏡-能譜分析發現，碳酸氫鈉和二氧化硅混合凝膠作為愈合產物，因為硅酸鈉暴露于空氣中并與二氧化碳和水蒸氣反應。通過CT掃描研究了已愈合的裂縫體積，并表明通過應用3D血管結構可以大大減少部分愈合，該血管結構包含更多相連的子管，并能覆蓋較大的管子。3D血管網絡標本的愈合性能的系統性改善歸因于該設計遵循了默里定律，因此擴大了治療劑分布的范圍，同時減少了泵送所需的能量。”
一些最有趣的科學突破是在自然界中發現的，因為研究人員受到了許多不同特性的啟發，特別是在3D和4D打印方面，從鞋類收藏到可編程油墨再到可回收液體聚合物。然而，這項研究是獨特的，因為作者致力于開發一種修復水泥缺陷的系統。使用水泥基材料時，開裂是一個持續存在的問題，并且解決這種缺陷的能力有限。自我修復系統是一個持續的研究主題，因為在如此常用的材料中裂縫普遍存在。
雖然我們大多數人將“血管”一詞與人體等同，但它歸根結底是指物質運輸的容器。盡管還有許多其他傳統方法可以創建與水泥有關的血管網絡，但在這項研究中，研究人員意識到，使用3D網格化通道可以實現“最大體積覆蓋”。
研究人員表示，由此形成的密集連接網絡為阻塞提供了冗余，并增加了表面的覆蓋范圍。但是，容器密度的增加可能會影響樣品的機械性能，而堵塞成為矩形彎曲隧道中的主要問題。為了最大程度地減少連接處的湍流，同時又使體積最大化 [14]按照墨累定律 [用于循環血容量轉移]，通過噴墨打印技術研究了細胞化水凝膠中的仿生血管結構。
研究了1D（A–C）和2D（D–F）膠凝血管系統的示例（A）涂蠟的1D血管系統[8]，（B）涂有3.5毫米厚砂漿層的帶有保護性螺旋線的玻璃管[11]]，（C）與外部環境相連的單個管的試樣[9]，（D）具有單個無機磷酸鹽水泥（IPC）管
[16]，（E）由PLA和ABS打印的2D網絡布局
[7]，（F）具有PLA連接的2D網格聚氨酯網絡[13]，（G）由PLA制造的單個3D網絡[15]。
本研究中設計的網絡在其自愈分布水平上模仿自然。研究團隊使用在PLAUltimaker上3D打印設計，然后分析材料，并將其與傳統的1D和2D網絡進行比較。最終，他們能夠證明該網絡可以有效地提供硅酸鈉作為治療劑，并且所有原始裂縫在28天后都可以“愈合”。研究人員使用以下方法評估每個系統的自我修復能力：
•機械性能恢復
•吸附性降低
•裂口閉合
•愈合體積
研究人員表示，遵循默里定律的仿生設計在提供用于自我修復的治療劑方面在未來具有巨大的潛力，并且該研究可以擴展到其他治療劑。
不同內血管結構的四點彎曲實驗設置示意圖（a）1D系統，（b）2D系統和（c）3D系統。
這些網絡被打印成兩個獨立的部分，然后焊接在一起。
3D血管網絡的仿生設計；（A）遵循穆雷定律設計的模型；（B）模型中考慮的參數；（C）該模型中采用的流體動力學圖。
1D / 2D / 3D結構（A，B，C）的設計模型以及最終制造結構（D，E，F）的正視圖。
血管結構既具有脆性斷裂反應，又具有引起機械觸發所需的界面結合。
“1D和2D結構的機械性能恢復約為20％，3D血管網絡標本的機械性能恢復約為34％，這歸因于自我修復。此外，與破裂對照樣品的值相比，包含1D，2D和3D血管網絡可導致吸附率分別降低25％，69％和77％。與1D系統相比，在2D血管水泥系統中觀察到裂縫愈合的增加，并且在3D血管水泥系統中幾乎所有的裂縫都減少了。”
“通過掃描電鏡-能譜分析發現，碳酸氫鈉和二氧化硅混合凝膠作為愈合產物，因為硅酸鈉暴露于空氣中并與二氧化碳和水蒸氣反應。通過CT掃描研究了已愈合的裂縫體積，并表明通過應用3D血管結構可以大大減少部分愈合，該血管結構包含更多相連的子管，并能覆蓋較大的管子。3D血管網絡標本的愈合性能的系統性改善歸因于該設計遵循了默里定律，因此擴大了治療劑分布的范圍，同時減少了泵送所需的能量。”
(責任編輯：admin)
Fabric8Labs推出AI芯片定
Titomic又一合作，將與nuF
荷蘭公司將開設3D打印船舶
Chicago Additive推出AMOS
590MHz帶寬+超90%輻射效率
威斯康星大學麥迪遜分校工最新內容
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強熱點內容
